Comportamento Geotécnico de um Solo Residual de Granulito da Região do Vale do Itajaí - SC

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1 Comportamento Geotécnico de um Solo Residual de Granulito da Região do Vale do Itajaí - SC Marcelo Heidemann Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, marcelo.heidemann@gmail.com Luiz Antônio Bressani Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, bressani@ufrgs.br Juan Altamirano Flores Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, Brasil, juan.flores@cfh.ufsc.br RESUMO: O presente trabalho apresenta os resultados obtidos em um estudo que compreendeu a caracterização do comportamento geotécnico do solo residual de granulito que ocorre na região de Blumenau SC. O estudo se justifica face ao histórico recente de movimentos gravitacionais de massa envolvendo esse material, o que evidencia a sua susceptibilidade à instabilização. No estudo determinou-se o comportamento deste solo em termos de resistência ao cisalhamento a partir de ensaios triaxiais CID e CID-U e ring shear. A determinação do coeficiente de condutividade hidráulica foi realizada utilizando-se um permeâmetro de parede flexível e também empregando-se a própria câmara para ensaios triaxiais, com medidas feitas antes e após a ruptura do corpo de prova. O solo estudado é classificado como um silte inorgânico com areia. O solo estudado apresenta baixa condutividade hidráulica, com valores típicos de siltes. Foram obtidos ângulos de atrito e coesão de 32º e 26,5 kpa respectivamente nos ensaios CID-U, e de 26º e 22 kpa nos ensaios CID. O ângulo de atrito residual obtido nos ensaios ring shear é da ordem de 9º. Este solo residual de granulito apresenta parâmetros de resistência ao cisalhamento que sofrem severa redução entre a condição de pico e a condição residual. PALAVRAS-CHAVE: instabilidades de encosta; ensaios geotécnicos; solos tropicais; resistência ao cisalhamento; ângulo de atrito residual. 1 INTRODUÇÃO A porção leste do território do Estado de Santa Catarina é caracterizada por grande variabilidade geológica. Os diferentes embasamentos contribuíram para o desenvolvimento de um relevo bastante acidentado e para a ocorrência de uma extensa gama de solos. Dentro desta diversidade de materiais, o Complexo Granulítico Santa Catarina merece uma atenção especial. Este Complexo agrupa rochas orto e para-derivadas como gnaisses, granulitos e gnaisse granulitos, de natureza ígnea e metamórfica, originadas entre 2,5 a 4,5 bilhões de anos (CPRM GEOBANK, 21). Esses materiais ocorrem em uma área relativamente extensa que se estende da região de Blumenau, no vale do Rio Itajaí, no sentido S-N até o estado do Paraná, nas proximidades do município de Paranaguá, conforme mostrado na Figura 1. Na região de Blumenau os corpos de granulitos deram origem a perfis espessos de solo residual de natureza predominantemente siltosa. Esses materiais estiveram envolvidos em algumas instabilidades de encosta de pequena e grande monta induzidas por chuvas, que vem ocorrendo de forma mais frequente desde 28. Diante desta situação o presente trabalho apresenta os resultados obtidos em um estudo que compreendeu a caracterização do comportamento geotécnico do solo residual de granulito que ocorre na região de Blumenau SC. A importância do estudo é justificada face ao histórico recente de susceptibilidade à instabilização desse material, à extensão em que ele potencialmente ocorre em virtude da área ocupada pelo Complexo Granulítico Santa Catarina, e à importância econômica e cultural das regiões do Vale do Itajaí e Norte do estado de Santa Catarina.

2 para caracterização mineralógica do material. 2.1 Ensaios Triaxiais Figura 1. Geologia do norte de Santa Catarina. 2 METODOLOGIA A caracterização do comportamento geotécnico do solo residual de granulito foi realizada a partir de ensaios de laboratório desenvolvidos no Laboratório de Geotecnia LAGEOtec- UFRGS. O solo utilizado para a pesquisa foi coletado a partir de blocos indeformados em uma cicatriz gerada por um movimento de massa ocorrido no município de Gaspar SC, o qual foi estudado por Heidemann (211). Foram executados ensaios de caracterização física para determinação de índices básicos de comportamento. Face às ocorrências de movimentos de massa envolvendo esse material determinou-se o comportamento deste solo em termos de resistência ao cisalhamento a partir de ensaios triaxiais e ring shear. Foram realizadas ainda medidas de condutividade hidráulica e complementarmente foram realizadas análises de difração de raios-x e microscopia eletrônica de varredura (MEV) Foram realizadas duas séries de ensaios triaxiais. A primeira série foi executada em amostras indeformadas, seguindo procedimentos convencionais para ensaios CID, empregando-se tensões confinantes de 5, 1 e 2 kpa. A segunda série de ensaios foi executada em corpos de prova indeformados utilizando uma trajetória de tensão especial, que busca simular o comportamento do solo em encostas em processo de instabilização. Estes ensaios foram denominados CID-U. Antes e após a ruptura do corpo de prova foram executadas medidas de condutividade hidráulica, empregando a própria câmara para ensaios triaxiais. As fases de percolação, saturação por contrapressão e consolidação do ensaio triaxial propriamente dito foram idênticas às executadas nos ensaios CID também realizados nesse trabalho, diferindo destes apenas na fase de cisalhamento e na execução de medidas de condutividade hidráulica. As medidas de condutividade hidráulica foram realizadas através da conexão de um sistema para aplicação de contrapressão no topo da amostra. Induziu-se uma diferença de tensão da ordem de 1 kpa entre topo e base, o que gerou um gradiente hidráulico igual a 1, para provocar o fluxo da água. O volume percolado foi medido em uma bureta graduada. Esse procedimento foi realizado posteriormente à consolidação do corpo de prova e repetido após o cisalhamento do mesmo, a fim de verificar possíveis alterações na condutividade hidráulica do solo provocada pelo seu cisalhamento. Para o cisalhamento da amostra adotouse a trajetória de tensões efetivas apresentada na Figura 2, onde os corpos de prova são inicialmente carregados de forma drenada convencional. A partir de cerca de 7% da tensão prevista de ruptura, inicia-se um aumento da poro-pressão (descarregamento efetivo), sem mudança significativa da tensãodesvio. Quando o corpo de prova começa a deformar excessivamente pela proximidade da envoltória de ruptura, a drenagem é fechada e volta-se ao carregamento axial convencional

3 (mais detalhes em Heidemann, 211). Trajetórias especiais semelhantes à utilizada nesse trabalho já foram anteriormente empregadas por Futai et al. (24) e Bressani e Vaughan (1989). dois métodos, além da própria determinação do coeficiente de condutividade hidráulica saturada (k sat ) do solo estudado. Para tal foram realizados ensaios empregando-se tensões de confinamento da ordem de 25, 5, 1, 2 e 4 kpa e um gradiente hidráulico próximo a Análises por DRX e MEV Figura 2. Trajetória de tensões efetivas especial empregada em ensaios triaxiais. 2.2 Ring Shear A condição residual de resistência ao cisalhamento é um aspecto de grande importância no estudo de materiais susceptíveis a movimentos gravitacionais de massa. Em virtude disto foram executados ensaios de cisalhamento torcional neste material, buscando justamente definir parâmetros de resistência para a condição residual. O ring shear de Bromhead (1979) exige que os corpos de prova utilizados sejam remoldados, tendo sito utilizada apenas a fração passante na peneira #4 para composição dos mesmos. O teor de umidade do solo foi corrigido de forma a atingir o limite de plasticidade, conforme sugerido por Stark e Vettel (1992). Foram executados ensaios em estágio único com tensões normais da ordem de 5, 1, 2 e 4 kpa 2.3 Ensaios de condutividade hidráulica convencionais Além das medidas de condutividade hidráulica realizadas na câmara triaxial foram executados ensaios convencionais utilizando-se um permeâmetro de parede flexível com coluna de mercúrio, construído com base no equipamento proposto por Bjerrum e Huder (1957). Buscou-se a partir desse ensaio verificar a validade das medidas executadas na câmara triaxial, comparando os resultados obtidos pelos Neste trabalho foram realizadas análises de difração de raios-x com a finalidade de determinar a natureza dos argilominerais que compõe este solo e investigar a possível ocorrência de minerais expansivos, que contribuem negativamente para a estabilidade de encostas. Estas análises foram executadas em amostras de pó do solo total e na fração granulométrica <2µm em amostras orientadas natural, glicolada e calcinada, seguindo a metodologia adotada Laboratório de Difração de Raios-X do Instituto de Geociências da UFRGS. Já a análise por meio de Microscopia Eletrônica de Varredura foi utilizada para verificar as formas e composição das partículas que compõe o solo, o estado dos argilominerais detectados na difração de raios-x e possíveis planos de orientação existentes. 3 RESULTADOS 3.1 Caracterização física O solo residual de granulito consiste em um silte inorgânico com areia (ML), de acordo com a classificação SUCS. As propriedades físicas do solo em condição indeformada são apresentadas na Tabela 1. Tabela 1. Índices físicos do solo estudado w nat (%) 39,8 γ s (kn/m³) 25,97 γ nat (kn/m³) 16,6 γ d (kn/m³) 11,9 Sr (%) 86,8 e 1,21 η,55 A distribuição granulométrica do solo foi determinada com e sem o uso de solução defloculante e é apresentada na Figura 3.

4 Percentagem retida (%) argila silte areia fina areia média,1,1, areia grossa Diâmetro dos grãos (mm) pedregulho Com defloculante Sem defloculante Figura 3. Curvas granulométricas do solo estudado. Comparando as curvas obtidas com e sem o uso de solução defloculante, percebe-se que o uso de defloculante revela uma considerável porção de argilas. Essas argilas estariam (i) reunidas em grumos do tamanho de siltes, ou (ii) aglutinadas junto a partículas maiores. Elas correspondem a cerca de 15% da composição do solo quando desagregadas, e apresentam atividade normal (Ac=1,3). 3.2 Ensaios triaxiais Os ensaios triaxiais CID convencionais indicaram um comportamento típico de solos pouco estruturados, sem a existência de um pico de resistência pronunciado e com comportamento predominantemente contrativo. A Figura 4 apresenta as curvas tensão versus deformação obtidas nestes ensaios. Verifica-se a partir das figuras que os valores máximos de tensão desvio são atingidos a deformação tanto maiores quanto maior é a tensão confinante aplicada. Não há a ocorrência de um pico de resistência bem definido, embora ocorra uma diminuição da resistência após a tensão desvio máxima ser atingida. O solo tem comportamento contrativo para as tensões maiores durante a ruptura, com exceção do ensaio com tensão confinante de 5 kpa, que após atingir a resistência máxima passou a apresentar dilatação. Nos ensaios triaxiais CID-U com trajetórias especiais foram obtidas as curvas tensão versus deformação apresentadas na Figura 5. Em cada uma das curvas mostradas é possível verificar as diferentes etapas adotadas no ensaio. Na etapa drenada inicial o solo mostrou comportamento similar ao observado nos ensaios CID anteriormente descrito. Tensão desvio (kpa) εv (%) kpa 1 kpa 5 kpa εa (%) kpa 1 kpa 2 kpa Figura 4. Curvas tensão versus deformação para ensaios triaxiais CID. A redução das tensões efetivas por elevação da poropressão provocou expansão dos corpos de prova, sendo que nos ensaios com σ c =5 kpa e 1 kpa a elevação de poropressão levou-os a atingir um volume superior ao do início do ensaio. Nos 3 ensaios a magnitude das expansões foi semelhante durante esta etapa. O processo de ruptura dos corpos de prova pode ser verificado através da Figura 6, onde são apresentadas as trajetórias de tensão efetiva (TTE) e a linha kf obtidas nos ensaios CID-U. Para o ensaio com σ c =5 kpa houve uma clara tendência à dilatação, o que provocou uma redução da poropressão, levando-as quase a zero, com um pequeno, mas contínuo, ganho de resistência ao cisalhamento. Esse ganho de resistência ocorreu também para o ensaio com σ c =1 kpa, havendo contudo uma considerável queda de resistência após deformações axiais da ordem de 1%. No ensaio com σ c =2 kpa, a queda de poropressão foi pequena se comparada aos níveis máximos atingidos e o ganho de

5 Tensão desvio (kpa) Poropressão (kpa) kpa kpa kpa εa (%) εv (%) 1 5 kpa 1 kpa kpa kpa kpa kpa quando a deformação axial atingiu 1%. As TTE obtidas na fase final não-drenada dos ensaios mostraram um comportamento distinto para os 3 corpos de prova. Para o ensaio com σ c =5 kpa houve um pronunciado ganho de resistência, devido à tendência de dilatação durante o carregamento, levando aos valores de p pouco superiores a 1 kpa e 2q=14kPa, com crescimento mesmo após 2% de deformação. Para o ensaio com σ c =1 kpa, a etapa de cisalhamento em condições não drenadas provocou um comportamento dilatante, resultando numa elevação de p e q, mas o crescimento atinge um máximo para 2q=16 kpa, seguindo-se uma queda acentuada da tensão cisalhante. Para o corpo de prova ensaiado com σ c =2 kpa, a condição nãodrenada causou uma pequena tendência a dilatação seguida por leve perda de resistência. Os parâmetros de resistência obtidos nos ensaios triaxiais CID e CID-U são apresentados na Tabela 2. Tabela 2. Parâmetros de resistência obtidos nos ensaios triaxiais. φ' (º) c' (kpa) CID CID-U 32 26,5 3.3 Ring Shear A Figura 7 mostra as curvas tensão versus deformação obtidas em ensaios ring shear. Figura 5. Curvas tensão e poropressão versus deformação para ensaios triaxiais CID-U kpa q (kpa) kpa 1 kpa Linha kf 2 kpa p' (kpa) Tensão Cisalhante (kpa) kpa 5 kpa 1 kpa,1 1, 1, 1, 1, Deslocamento (mm) Figura 6. Trajetórias de tensão efetiva (TTE) e a linha kf obtidas nos ensaios CID-U. resistência foi pequeno, reduzindo seu valor Figura 7. Curvas tensão versus deformação obtidas nos ensaios ring shear. O ângulo de atrito encontrado a partir destes ensaios para o solo estudado foi da ordem de

6 9, indica a ocorrência de um comportamento deslizante durante o cisalhamento, conforme proposto por Lupini et al. (1981). O modo de ruptura deslizante está associado à formação de uma superfície de ruptura polida, a qual foi observada ao final dos ensaios, resultado da acentuada orientação das partículas de solo. De acordo com Kenney (1977), a resistência residual tipo deslizante está fortemente ligada à mineralogia das partículas lamelares. Lupini et al. (1981) associa baixos ângulos de atrito residual ao domínio de argilominerais montmoriloníticos, enquanto que ângulos de atrito residual elevados estariam ligados à presença de caulinitas e ilitas. Contudo, embora as análises de difração de raios-x realizadas no solo indiquem o predomínio de caulinitas no solo residual de granulito, o mesmo apresentou baixo ângulo de atrito, contrariando a tendência apresentada por caulinitas estudadas por Tiwari e Marui (25) e Lupini et al. (1981). A Figura 8 traz os dados obtidos neste trabalho inseridos na carta produzida por Rigo et al. (26). A partir do φ' r e IP obtido para diversos solos tropicais, estes autores definiram cinco zonas em função do comportamento apresentado por estes materiais. Figura 8. Carta IP x φ' r (modificado de RIGO et al., 26) Inicialmente constatou-se que o φ' r obtido para o solo residual de granulito é bastante baixo se comparado aos medidos em diversos solos tropicais brasileiros. De acordo com a carta apresentada, o solo estudado tem comportamento semelhante ao observado em alguns solos compostos por minerais parcialmente alterados. Segundo Rigo et al. (26), isto se dá pela degradação desses minerais quando submetidos a grandes deformações cisalhantes, com posterior reorientação destas partículas, promovendo a ruptura em regime transicional ou até mesmo deslizante. 3.4 Condutividade Hidráulica Os valores de coeficiente de condutividade hidráulica saturada (k sat ) obtidos para o solo estudado são apresentados na Figura 9. ksat (m/s) 1,5E-7 1,3E-7 1,1E-7 9,E-8 7,E-8 5,E-8 3,E-8 Pré-ruptura (Triaxial) Pós-ruptura (Triaxial) Permeâmetro com coluna de mercúrio 1,E Tensão confinante (kpa) Figura 9. Intervalo de coeficientes de condutividade hidráulica saturado. O coeficiente de condutividade hidráulica medido sob diferentes tensões confinantes ficou dentro do intervalo característico de solos siltosos. Mesmo com a utilização de um gradiente hidráulico relativamente alto, o solo apresentou baixa condutividade hidráulica, resultado de sua composição granulométrica bastante fina. O aumento da tensão de confinamento resultou em uma redução de k sat seguindo uma tendência bem definida. Os resultados obtidos medindo-se k sat antes e após o ensaio triaxial demonstram que com o cisalhamento do solo há uma pequena redução da condutividade hidráulica. Nos ensaios executados com tensão confinante de 5 kpa esta variação de k sat mostrou-se mais pronunciada que nos ensaios à 1 e 2 kpa. Esta redução de k sat, embora pequena, indica que durante possíveis rupturas há a possibilidade de incremento de poropressões e a possibilidade do surgimento de contrastes de condutividade hidráulica. Segundo Reid (1997), mesmo pequenos contrastes (uma ordem de magnitude ou menos) na condutividade hidráulica dos solos em encostas podem modificar as condições de tensões efetivas

7 atuantes no maciço, elevando o potencial de instabilidade. convencionais, mesmo com a utilização de defloculante. 3.5 DRX e MEV Em relação aos constituintes da fração argilosa deste solo, a caulinita é o argilomineral predominante, e a ocorrência de grumos esbranquiçados deste material pode ser facilmente percebida no solo. Em menor quantidade há a ocorrência de ilita, esmectitas do tipo montmorilonita, plagioclásio na forma de albita e quartzo. A pequena ocorrência de ilitas e esmectitas está associada à composição típica das rochas granulíticas que são formadas principalmente por feldspatos, plagioclásio e quartzo, e em pequena escala biotitas e outros minerais micáceos. A ocorrência de caulinita pode ser atribuída à associação de vários fatores que conduzem ao seu surgimento, como a natureza tropical do solo, à existência de boas condições de drenagem do terreno e pelo fato de a rocha de origem ser rica em plagioclásio, que tendem a dar origem a esse argilomineral (MEUNIER, 25). A ocorrência de minerais primários (plagioclásios e quartzo) na fração argila, evidencia que o solo encontra-se ainda parcialmente alterado, ratificando o comportamento observado nos ensaios ring shear. A Figura 1 apresenta uma imagem obtida a partir de análises em MEV. Estas análises corroboraram os resultados obtidos nas análises de difração de raios-x já que mostraram a predominância de caulinita sobre outros argilominerais e a existência de partículas de pequena dimensão de minerais primários em fase de alteração 4 CONCLUSÕES O solo residual de granulito estudado é classificado como um silte inorgânico com areia. Porém as análises de difração de raios-x e a microscopia eletrônica revelaram a ocorrência de argilas que acabam não sendo detectadas nas análises granulométricas Figura 1. Aspecto da caulinita presente no solo residual de granulito. Análises de microscopia eletrônica de varredura mostraram que as partículas que compõem o solo apresentam diversos planos de clivagem, que são indicativos de processos de alteração em andamento, e mostraram uma predominância dos argilominerais do tipo caulinita, fato este também constatado nas análises de difração de raios-x. O solo residual de granulito apresenta baixa condutividade hidráulica, com valores típicos de siltes (k= 1x1-7 a 3x1-8 m/s). Nas medições de condutividade hidráulica feitas antes e após a realização de ensaios triaxiais, observou-se uma redução de duas vezes da condutividade hidráulica por conta do cisalhamento imposto. Esta característica pode proporcionar o surgimento de zonas de baixa permeabilidade que induzem à elevação de poropressões em regiões próximas de superfícies de ruptura. O solo apresentou resistências ao cisalhamento para grandes deformações bastante baixas da ordem 9º que, embora típico de materiais argilosos de elevada plasticidade, também ocorrem em solos parcialmente alterados susceptíveis a degradação mecânica, como neste caso. Ao ser submetido a deformações cisalhantes, os grumos argilosos sofrem degradação textural que confere ao solo um comportamento mecânico típico de materiais argilosos. Isto explica a baixa resistência ao cisalhamento (resistência

8 residual) apresentada por este solo nos ensaios de ring-shear. Ensaios triaxiais do tipo CID-U são uma interessante ferramenta no estudo de solos de encostas susceptíveis à instabilização por ação de chuvas. Estes ensaios reproduzem a elevação das poropressões e permitem avaliar o comportamento mecânico pré e pós-ruptura. Como em outros casos relatados na literatura os parâmetros de resistência ao cisalhamento derivados destes ensaios foram superiores aos obtidos nos demais ensaios de cisalhamento. Por meio dos ensaios triaxiais CID-U foi possível verificar a influência da elevação das poropressões no solo estudado. Naturalmente há uma redução das tensões confinantes efetivas, com redução da rigidez e aumento rápido da relação q/p. Outro aspecto observado foi a forma rápida com que se deu a queda de resistência ao cisalhamento nos ensaios triaxiais CID-U. Ainda que a taxa de deformação axial tenha sido elevada para induzir a manutenção das tensões cisalhantes (nível constante), estas não recuperavam os níveis anteriores, qualquer que fosse a taxa de cisalhamento aplicada. A envoltória de resistência ao cisalhamento determinada de ensaios triaxiais CID convencionais foi inferior à medida em ensaios CID-U. Isto está de acordo com dados de outros autores e parece estar associado às maiores deformações cisalhantes dos ensaios CID. O solo residual de granulito apresenta parâmetros de resistência de pico relativamente altos, mas que sofrem severa redução para a condição residual. Quando o material sofre deformações que levem o solo a ter sua resistência mobilizada por parâmetros residuais então possivelmente haverá continuidade dos movimentos com incremento da sua velocidade. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a CAPES e ao CNPq pelo apoio financeiro e concessão de bolsas de pós-graduação e de pesquisa aos autores. O agradecimento se estende ao Departamento de Geociências da UFSC pelo auxílio no estudo dos movimentos gravitacionais de massa em Santa Catarina. REFERÊNCIAS Bjerrum, L. e Huder, J. Measurement of the Permeability of Compacted Clays, In: 4th International Conference on Soil Mechanics and Foundation, Vol. 1, London, 1957, pp Bressani, L. A. e Vaughan, P. R.; Damage to Soil Structure During Triaxial Testing, In: 12th International Conference Soil Mechanic and Foundation Engineering, Rio de Janeiro, Vol. 1, pp Bromhead, E. N. A Simple Ring Shear Apparatus, In: Ground Engineering, Vol. 12, nº 5, 1979, pp CPRM GEOBANK, Levantamento geológico. Em: Data de acesso: 31/7/21 Futai, M.M., Almeida, S.S., Lacerda, W.A. Yield, Strength, and Critical State Behavior of a Tropical Saturated Soil. In: Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 13, No. 11, 24. pp Heidemann, M. Caracterização Geotécnica de um Solo Residual de Granulito Envolvido em uma Ruptura de Talude em Gaspar SC. Dissertação (Mestrado em Engenharia) Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, UFRGS, Porto Alegre p. Kenney, T.C. Residual Strength of Mineral Mixtures, In: Proceedings of 96th International Conference in Soil Mechanics, Vol. 1, pp Lupini, J.F. e Skinner, A.E. Vaughan, P.R. The Drained Residual Strength of Cohesive Soils, Géotechnique, Vol. 31, nº.2, 1981, p Meunier, A. Clays, Springer, Berlin, p. Reid, M.E. Slope Instability Caused by Small Variations in Hydraulic Conductivity, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 123, nº 8, pp Rigo, M.L. Pinheiro, R.J.B. Bressani, L.A. Bica, A.V.D. Silveira, R.M., The Residual Shear Strength of Tropical Soils, In: Canadian Geotechnical Journal, Vol. 43, n 4, 26 pp Stark, T.D. e Vettel, J.J. Bromhead Ring Shear Test Procedure, Geotechnical Testing Journal, Vol.15, nº1, 1992, pp Tiwari, B. e Marui, H. A New Method for the Correlation of Residual Strenght of the Soil with Mineralogical Composition, In: Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 131, nº. 9, 25, pp

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